同相放大电路和反相放大电路特性对比论文

同相放大电路和反相放大电路特性对比论文 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 同相放大电路和反相放大电路特性对比论文 论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目 同相放大电路和反相放大电路特性对比 目 录 1.绪论 .................................................................... 1 1.1 理想运算放大器模型 .................................................. 1 1.2 同相放大电路基本电路 ................................................ 2 1.3 负反馈的基本概念 .................................................... 2 1.4虚假短路——虚短、虚断 .............................................. 3 1.5电压跟随器——阻抗变换 .............................................. 3 1.6反相放大电路 ........................................................ 3 2(同相放大电路和反相放大电路的特性比 较 ................................... 4 2.1阻抗变换特性比较 .................................................... 4 2.2功率放大特性比较 .................................................... 5 2.3可否作为缓冲器使用特性比较 .......................................... 7 2.4传感器输出电阻(信号源内阻)的变化对放大器的选 择 .................... 8 2.5 共模抑制比特性比较 .................................................. 8 3(同相放大电路和反相放大电路的其他应 用 .................................. 10 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.1求差(减法)电路 ................................................... 10 3.2求和(加法)电路 ................................................... 11 3.3积分电路 ........................................................... 12 3.4微分电路 ........................................................... 13 3.5仪用放大器 ......................................................... 13 4(总结 .................................................................. 14 5.参考文献 ............................................................... 16 6(致谢 .................................................................. 17 学位论文答 辩评审表 同相放大电路和反相放大电路特性对比 摘要: 本文首先简明介绍了同相放大电路、反相放大电路的基本 电路模型、电路特点及 其几项技术指标的计算，着重研究了两种放大电路的基本特性和 由它们组成的求差(减法)、求和(加法)、积分、微分电路及仪用放 大器。在线性电路理论分析与计算的基础上，从理论计算和 Multisim8.0仿真两个方面考察了同相与反相放大电路的基本特性，得 出了一系列结论。 关键词: 同相放大电路;反相放大电路 The Comparison between In-phase Amplifier Circuit and InvertinAmplifier Circuit Abstract : The study briefly introduced the basic electronic models, features and some —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ technical indexes calculation of Noninverting amplifier circuit and see-saw circuit at first, in which the basic characteristics of the two circuits and their integral and differential circuits and instrument amplifier had been studied particularly.Based on the calculation and analysis of linear circuit theory, the study investigated the basic characteristics of the two circuits from the aspects of theoretical calculation and Multisim8.0 simulation, and then some conclusions were drawn. Keywords : In-phase amplifier circuit; inverting amplifier circuit 同相放大电路和反相放大电路特性对比 1.绪论 集成电路运算放大器(简称集成运放)是一种电子器件，它是采 用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间 的连线制作在同一小块单晶硅的芯片上，并具有一定功能的电子线路。 集成运放是一种高增益直接耦合放大器，是最基本、最具有代表 性的、应用最广泛的一种模拟集成电路，它不仅适用于信号的运算、 处理、变换、测量和信号产生电路，而且还可用于开关电路中。运算 放大器作为基本的电子器件，虽然本身具有非线性的特性，但在许多 情况下，它作为线性电路的器件，很容易用来设计各种应用电路。 随着集成电路的迅速发展，相继出现了一些用于微弱信号检测的 高性能专用集成运放。但是，在放大电路的设计中，除了要选择参数 匹配的元器件外，还应合理的选择电路，使电路的各个放大性能达到 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 最佳。 用单片集成运放加上简单的外部电阻可以构成同相放大电路和反向放大电路。它们是集成运放作为放大元件使用的两个简本电路。由这两个基本电路还可以组成求差(减法)、求和(加法)、积分、微分电路及仪用放大器等基本电路。下面介绍集成运放内部的主要结构、理想运算放大器和电路模型，然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻、电容等元件构成的简单应用电路——同相放大电路、反相放大电路，确定它们不同的应用场合，为小信号放大电路设计提供理论基础。 1.1 理想运算放大器模型 理想运算放大器模型的主要组成部分可归纳如下: (1)输出电压vo的饱和极值等于运放的电源电压，即+Vom=V+和?Vom=V?。 (2)运放的开环电压增益很高，以至差分输入电压(vp-vn)的值尽管小仍可驱动运放进入饱和区。即，若(vp-vn)>0，则vo将趋于饱和极限电压+Vom=V+。反之，若(vp-vn)<0，vo将趋于负饱和极限电压-Vom=V-。 (3)与前述相反，若vo未达到饱和极限，则差分输入电压(vp-vn)必趋近于0。当vo处于V+与V-之间，则运放必将工作在线性区。 1 (4)内部的输入电阻ri的阻值很高，因而可近似认为它为无限大;由此可以假定，流入或流出同相端和反相端的电流为零，即—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ip=0,iN=0。 (5)内部的输出电阻ro的阻值很低乃至可近似认为它为零。 V+ Vpip=0 Avo(vp-vn)iN=0VN - 图1.1 理想运放的电路模型 1.2 同相放大电路基本电路 o 图1.2 同相放大电路 电路如图1.2所示，输入信号电压vi( = vp)加到运放的同相输入端“+”和地之间，输出电压vo通过R2和R1的分压作用，得vn = vf = R vo / ( R1+R2 ),作用于反相输入端“-”。由于vn是输出电压vn经反馈元件R1、R2送回到运放的反相输入端“-”，所以vf在此称为反馈电压。 1.3 负反馈的基本概念 在图1.2中引入了负反馈的基本概念，下面简单来分析负反馈的基本概念。当输入信号电压vi的瞬时电位变化极性如图的(+)号所示，由于输入信号电压vi( vp )加到同相端，输出电压vo的极性与vi相同。反相输入端的电压vn为反馈电压，其极性亦为(+)，而净输入电压vid = vi – vf = vp – vn比无反馈时减小了，即vn抵消了vi的一部分， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 使放大电路的输出电压vo减小了，放大电路的电压增益Av = vo / vi也减小了，因而这时引入的反馈是负反馈，这个过程可表示为: 1,R2vp(vi)??vo??R???vn??vid??vo? 由上述过程看出，负反馈的作用是利用输出电压vo通过反馈元件(R1、R2)对放大电路起自动调整作用，从而牵制了vo的变化，最后达到输出稳定平衡。 1.4虚假短路——虚短、虚断 在图1.2的同相放大电路中，输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟随vp，使vp?vn，或vid=vp?vn?0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。 由于同相和反相两输入端之间出现虚短现象，而运放的输入电阻的阻值又很高，因而流经两输入端之间的ip=in?0，这种现象称为虚断。应当注意的是，虚短是本质的，而虚断则是派生的。 1.5 电压跟随器——阻抗变换 vi=n 图1.3 电压跟随器 在图1.2的同相放大电路中，令R1=?,R2=0，则得如图1.3所示的电路。由于输出电压vo就是反馈电压，利用虚短的概念，得到 vo=vn?vp=vi Av=vo?1 vi —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由上式可知，输出电压vo与输入电压vi大小相等，相位相同，因此，该电路称为电压跟随器。虽然电压跟随器的电压增益等于1，仿照分析同相放大电路的方法，可知它的输入电阻Ri??，输出电阻Ro?0，故它在电路中常作为阻抗变换器。 1.6反相放大电路 3 图1.4 反相放大电路 电路如图1.4所示，输入电压vi通过R1作用于运放的反相端，R2跨接在运放的输出端和反相端之间，同相端接地。由虚短的概念知，vn?vp=0，因此反相输入端的电位接近于地电位，故称虚地。 2(同相放大电路和反相放大电路的特性比较 2.1阻抗变换特性比较 2.1.1同相放大电路输入输出电阻分析 (1)输入电阻Ri 由图1.2所示，根据放大电路输入电阻的定义有Ri= 必有ii?0，故从放大电路输入端口看进去的电阻为: vi，式中vi = vp，因ri??，ii Ri= (2)输出电阻Ro vi?? ii 将信号源vi置零，则运放内的受控电压源也为零。同时因为理想运放的输出电阻ro = 0,尽管输出端还有其他并联支路。但从输出端口看进去的输出电阻Ro=ro[(R1ri+R2)],故有Ro?0。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.1.2反相放大电路输入输出电阻分析 (1)输入电阻Ri 输入电阻Ri为从电路输入端口看进去的电阻，由图1.4可知 4 Ri= (2)输出电阻Ro vivi==R1 i11 由于理想运放的输出电阻ro?0，因此，与同相放大电路类似，输出电阻Ro?0。 2.1.3阻抗变换特性比较结论 通过理论计算同相放大电路和反相放大电路的输入输出电阻，比较可知，同相放大电路的输入电阻大，输出电阻小，因此同相放大电路可用作阻抗变换。而反向放大电路输出电阻不大，在设计电路时必须考虑后续负载的电路大小以达到阻抗匹配，否则可能导致负载电路电压急剧下降等。所以，比较得知，同相放大电路可以用作阻抗变换，而反相放大电路不能用作阻抗变换。 2.2功率放大特性比较 2.2.1 同相放大电路功率仿真 图2.1同相放大电路仿真电路图 上图是利用OP27集成芯片连接的同相放大电路，其放大倍数为1。由于放大倍数为1，实际上并没有放大，故而对于放大倍数为1的同相放大电路又叫做“电压跟随器”。图2.1中，XSC2是一个示波—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 器，分别连接输入信号与输出信号。XWM1和XWM2分别为功率表，分别测量信号的输入功率和输出功率。输入信号为一最大值3V的正弦信号。在Multisim8中对放大倍数仿真的结果如下: 5 图2.2输入输出信号波形 其中，红色波形表示输入信号，蓝色波形表示输出信号。功率仿真结果为: 图2.3 输入信号功率 图2.4 输出信号功率 比较图2.3和图2.4这两个虚拟功率表的示数可以知道，输出信号的功率得到了很大的放大效果。 2.2.2 反相放大电路功率仿真 图2.5 反相放大电路仿真电路图 上图中也是用OP27集成芯片作为运算放大器来搭建反向放大电路的。XSC1为一示波器，用于显示输入输出信号的幅度。功率表XWM1和XWM2分别测量输入输出信 6 号功率。该电路的放大倍数为-1。输入信号是一幅度为1V的正弦信号。在Multisim8中仿真的结果如下: 图2.6输入输出信号波形 红色为输入信号，蓝色为输出信号。从示波器的波形中可以看出—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 信号幅值没有变化，只是倒相了。功率的仿真结果为: 图2.7 输入信号功率 图2.8输出信号功率 比较图2.7和图2.8这两个虚拟功率表的示数可以知道，反相放大电路对功率没有放大作用。 2.2.3功率放大特性比较结论 通过对同相放大电路与反相放大电路的功率放大特性进行仿真，比较得出同相放大电路对功率具有很好的放大作用，而反相放大电路对功率没有放大作用。 2.3可否作为缓冲器使用特性比较 作为缓冲器的电路应该具有两个特点:一方面，不改变原有的输入电压，或者改变的很小，即经过该缓冲电路后电压大致不变;另一方面，之所以加入缓冲电路，是由于负载需要大电流来驱动，或者虽然每个负载需要的驱动电流很小，但由于所接负载数量较多，它们的连接关系是并联的，同样导致干路需要大电流。 由上述功率放大特性的比较，可知同相放大电路对功率具有放大作用，满足作为缓 7 冲器的两个条件，因此可以作为缓冲器使用。而反相放大电路对功率没有放大作用，不满足缓冲电路的条件，不能用作驱动大电流负载工作。 2.4传感器输出电阻(信号源内阻)的变化对放大器的选择 由图1.2可知，同相输入放大电路电压增益为: Av1= —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 入输出电压关系式为:vo=voR1+R2，由上式得输=viR1R1+R2vi。 R1 voR2,由上式得输入输出=?viR1由图1.4可知，反相输入放大电路电压增益为:Av2= 电压关系式为:vo=?R2vi。 R1 反相放大电路作为传感器前置放大器时，传感器的输出电阻Rs是R1的一部分，Rs的变化会引起放大器输出的变化。同相放大电路不存在这样的问题。 若传感器的输出电阻Rs随工作状态、工作环境等的变化有明显的变化，则不宜选用反相放大电路。 2.5 共模抑制比特性比较 2.5.1差模信号、共模信号和共模抑制比的概念 vi2 EE 图2.9差分式放大电路一般模型 (1)差模电压即输入电压vi1和vi2之差称为差模电压，用下式来定义: vid=vi1?vi2 (2)共模电压即两输入电压vi1和vi2的算术平均值称为共模电压，用下式来定义: 8 vi1+vi2 2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ AvdVoVoc (3)共模抑制比Kcmr=，其中Avd=为差模电压增益，Avc=为共 AvcVidVic vic= 模电压增益。 2.5.2共模抑制比的比较 i2 同相输入端 EE 图2.10同相放大电路差分结构 EE 图2.11 反相放大电路差分结构 由图2.10可知，同相放大电路的同相输入端没有虚地，所以电路中除了有差模信号外，还有较大的共模电压，抗干扰能力相对较差。所以此时对放大器的共模抑制比有 9 很高的要求。 由图2.11可知，反相放大电路的同相输入端接地，反相端虚地，只有差模信号，抗干扰能力强。 因此，在要求有相同放大倍数的情况下，选取放大器时，选取反相放大电路较好。 3(同相放大电路和反相放大电路的其他应用 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.1求差(减法)电路 vi2vi114 图3.1 求差电路 图3.1所示电路是用来实现两个电压νi1、vi2相减的求差电路，又称差分放大电路。从电路的结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放条件下，利用虚短和虚断的概念，有(vp?vn)?0，ii?0，对节点n和p的电流方程为 i1=i4,即 及 i2=i3,即 vi1?vnvn?vo= (3.1.1) R1R4vi2?vpvp= (3.1.2) R2R3 注意vn=vp，由式3.1.1解得vn，然后代入式3.1.2，可得 R4?R1+R4??R3?vo=?vi1 ???vi2?R1?R1??R2+R3? R?R4?????vi2?R4vi1 (3.1.3) =?1+??R1R1??1+R???2?? 在上式中，如果选取阻值满足R1=R2的关系，输出电压可简化为 10 vo=R4(vi2?vi1) (3.1.4) R1 由式3.1.4可得输出电压vo与两输入电压之差(vi2?vi1)成正比，即实现了求差功能，比例系数为电压增益Αvd，即 Αvd=voR4 (3.1.5) =vi2?vi1R1 输入电阻Ri是从输入端看进去的电阻，当电路中R1=R2=R3=R4时，利用虚短(vp?vn)?0和虚断(ii=0)的概念。在(vi2?vi1)作用下，可—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 得流入vi2端口的电流等于流出vi1端口的电流，则输入电压vi2?vi1=(R2+R1)i=2R1i，因此等效输入电阻为 Ri=vi2?vi1=2R1 (3.1.6) i 电路的输出电阻Ro很小，这可用理想运放的电路模型得到解释。 3.2求和(加法)电路 vi2 vi1 图3.2 求和电路 如果要将两个电压vi1、vi2相加，可以利用图3.2所示的求和电路来实现。这个电路接成反相输入放大电路，显然，它是属于多端输入。利用虚短(vp?vn)=0,虚断(ii=0)和虚地(vn=0)的概念，对反相输入节点可写出下面的方程式: i1+i2=i3 vi1?vnvi2?vnvn?vo+= (3.2.1) R1R2R3 vi1vi2vo+=?或 (3.2.2) R1R2R3 R3R3vi1+vi2 (3.2.3) 由此 得 ?vo=R1R2即 这就是求和(加法)运算的表达式，式中负号是因反相输入所引起的。若R1=R2=R3，则式(3.2.3)变为 ?vo=vi1+vi2 (3.2.4) 如在图3.2的输出端再接一级反相电路，则可消去负号，实现完全符合常规的算术 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 加法。图3.2所示的求和电路可以扩展到多个输入电压相加。求和电路也可以利用同相放大电路组成。 3.3积分电路 v 图3.3 积分电路 积分是一种常见的数学运算，这里所讨论的是模拟积分。积分电路如图3.3所示。利用虚地和虚断的概念:νN=0,iI=0,因此有i1=i2=i,电容器C以电流i1=vI电。假设电容器C初始电压vc(0)=0，则 进行充 11vIi1dt= C?C?R 1 vo=?vIdt (3.3.1) RC?vN?vo= 上式表明，输出电压vo为输入电压vI对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。 -Vo vIVom VI VI otO 图3.3.1 (a) 输入电压信号Vi波形 (b) 输出电压vo波形 当输入信号vI为图3.3.1a所示的阶跃电压时，在它的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压vo与时间t成近似线—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 性关系，如图3.3.1.b所示。因此 vo??ViVit=?t (3.3.2) RCτ 式中τ=RC为积分时间常数。由图3.3.1.b可知，当t=τ时，?vo=Vi。当t>τ，vo增大，直到?vo=+Vom,即运放输出电压的最大值Vom受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，vo保持不变，而停止积分。 图3.3所示积分电路，可用来作为显示器的扫描电路、模数转换器或作为数学模拟 12 运算器等。 3.4微分电路 图3.4 微分电路 将图3.3积分电路中的电阻和电容元件对换位置，并选取比较小的时间常数RC，便得图3.4微分电路。这个电路同样存在虚地，vN=0和虚断iI=0,i1=i。 设t=0时，电容器C的初始电压vc(0)=0，当信号电压VI接入后，便有 i1=CdvI dt dvI dt vN?vo=i1R=RC 从而得 vo=?RCdvI (3.4.1) dt 上式表明，输出电压vo正比于输入电压vI对时间的微商，负号—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 表示它们的相位相反。 当输入电压vI为节约信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍为一个有限值。随着电容器C的充电，输出电压vo将逐渐地衰减，最后趋近于零。 如果输入信号时正弦函数vi=sinwt，则输出信号vo=?RCwcoswt。此式表明，vo的输出幅度将随频率的增加而线性地增加。因此微分电路对高频噪声特别敏感，以致输出噪声可能完全淹没微分信号。 微分电路的应用是很广泛的，在线性系统中，除了可作微分运算外，在数字电路中，常用来作波形变换，例如将矩形波变换为顶脉冲波。 3.5仪用放大器 13 vR1=v1-v 图3.5 仪用放大器 仪用放大器电路如3.5所示。由图可知，它是由运放A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，v1、v2分别加到A1和A2的同相端，R1和两个R2组成反馈网络，引入了负反馈，两运放A1、A2的两输入端形成虚短和虚断，因而有vR1=v1?v2和vR1=(v3?v4R2+R1，故得 v3?v4=2R2+R1?2R2?vR1=?1+?(v1?v2) (3.5.1) R1R1?? 根据式4.1.4的关系，可得 vo=?R42R2?(v3?v4)=?R4??1+?(v1?v2) (3.5.2) R3R3?R1? 于是电路的电压增益为 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Av=voR4?2R2?=??1+? (3.5.3) v1?v2R3?R1? 在仪用放大器中，通常R2、R3和R4为给定值，R1用可变电阻代替，调节R1的值，即可改变电压增益。 由于输入信号v1和v2都是从A1和A2的同相端输入，电路出现虚短和虚断现象，因而流入电路电流等于0，所以输入电阻Ri??。目前，这种仪用放大器已有多种型号的单片集成电路产品，在测量系统中应用很广。 4(总结 本文首先简要介绍了同相放大电路，反相放大电路的基本电路模型、电路特点及其几项技术指标的计算，着重研究了两种放大电路的基本特性和由它们组成的求差(减 14 法)、求和(加法)、积分、微分电路及仪用放大器。在线性电路理论分析与计算的基础上，从理论计算和Multisim8.0仿真两个方面考察了同相与反相放大电路的基本特性。研究表明: (1)、同相放大电路可作为阻抗变换使用，而反相放大电路不能作为阻抗变换使用。 (2)、同相放大电路对功率有很好的放大作用，而反相放大电路对功率没有放大作用。 (3)、同相放大电路可作为缓冲器使用，而反相放大电路不能作为缓冲器使用。 (4)、在同相放大电路中，信号源内阻的大小对实际输入电压没—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 有影响;在反相放大电路中，信号源内阻的大小对实际输入电压有影响。 (5)、同相运算放大器要求有较高的共模抑制比，而反相运算放大器对共模抑制比没有特殊要求。 15 5.参考文献 [1] 童相海.探析集成运放在电功率测量中的应用[J].制造业自动化, 2010,12(5):21-24. [2] 董俊宏，王英剑，李小珉. 集成运放放大电路的噪声分析[J]. 电气电子教学学 报.2006,02(4):52-54. [3] 蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京:科学出版社,2005:12-50. [4] 康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分[M].(第五版).北京:高等教育出版 社,2006:56-88. [5] 周胜海,郭淑红.基于低噪声运放的传感器前置放大器设计[J].仪表技术与传感 器,2006,9(5):8-12. 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